低电阻温度系数TaN薄膜及微波功率匹配负载研究-材料科学与工程专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 摘要 摘 要 微波功率匹配负载是微波器件与微波电路中的一类通用元件，可以广泛应用 于通讯、雷达、探测等领域的无线电子器件及系统中。随着无线通讯的快速发展， 高频率、大功率、性能稳定的微波功率匹配负载的研究具有重要意义。本文采用 直流磁控溅射制备 TaN 薄膜，对其微结构及电性能进行研究，并设计、制备具有 高频率、大功率性能特征的微波功率匹配负载。得出以下几方面的结论： 在 TaN 薄膜方面，研究氮流量和退火工艺条件对 TaN 薄膜微结构和电性能的 影响。实验结果表明，对于 Al 掺杂的 TaN 薄膜，当氮流量从 2%增加到 7%时，薄 膜电阻率从 2372μΩ·cm 增加到 3894μΩ·cm，电阻温度系数（TCR）绝对值从 253ppm/℃增大到 945ppm/℃，薄膜厚度从 320nm 减小到 230nm。在大气中对 TaN 薄膜退火 2 小时，退火温度从 200℃增加到 600℃时，方阻从 12?/sq 增加到 24?/sq， TCR 从 15ppm/℃下降到-80ppm/℃；在大气中对 TaN 薄膜进行 300℃退火，随着退 火时间从 1 小时增加到 5 小时，方阻及 TCR 几乎不变化。 在微波功率匹配负载的设计和仿真方面，根据有耗传输线理论及热传导相关 理论，采用 HFSS 软件与 ePhysics 软件联合仿真，设计具有高频率、大功率性能特 征的微波功率匹配负载。本文设计仿真了两个微波功率匹配负载，其中一个工作 频带为 DC-18GHz，电压驻波比小于 1.2，功率负载为 20W；另外一个工作频带为 DC-40GHz，电压驻波比小于 1.2，功率负载为 1W。按照仿真结果，采用直流磁控 溅射、掩膜图形化、光刻、丝网印刷等工艺制备微波功率匹配负载样品。测试结 果表明，所制备样品的 TCR 绝对值均小于 120ppm/℃；功率测试期间，样品表面 温度均在 120℃以下，功率测试前后阻值变化均在 2%以内；在设计的频率范围内 除个别频率点外，微波功率匹配负载的电压驻波比均小于 1.4，测试结果与设计结 果具有很好的一致性。 为了克服单电阻膜微波功率匹配负载的工作频率与功率负载能力不能同时提 高的难题，设计并制备基于功率分流思想的双电阻膜微波功率匹配负载。仿真与 测试结果表明，在 3.4-7.4GHz 和 8.2-9.8GHz 频带范围内，电压驻波比小于 1.6， 功率负载为 200W，实验结果与仿真结果具有很好的一致性。 关键词：匹配负载，TaN 薄膜，仿真，TCR I ABSTRACT ABSTRACT As a general element for microwave components and microwave systems, microwave power match loads (MPMLs) has been widely used in communications, radar, detection and other fields. With the rapid development of wireless communication, the research of MPMLs with high frequency, high power and stable performances is of great significance. In this thesis, the micro-structure and electrical properties of TaN thin films deposited by reaction DC magnetron sputtering were explored. The MPMLs with high frequency and high power were designed and fabricated. The main results are as following. In the aspect of TaN thin films, the influences of Nitrogen partial flux and annealing on the micro-structures and electrical properties of the samples were investigated in detail. The results show that , for the aluminium doping TaN thin films, with the nitrogen partial flux increase from 2% to 7%, the resistivity of the